Bei der Auswahl von Stahl spielen häufig Abmessungen, Wandstärke oder Gewicht die wichtigste Rolle. Eine ebenso entscheidende Eigenschaft lässt sich jedoch nicht auf den ersten Blick erkennen: die Streckgrenze.
Sie beschreibt den Bereich, bis zu dem sich der Werkstoff nach einer Entlastung wieder weitgehend in seine ursprüngliche Form zurückbildet. Wird diese Grenze überschritten, bleibt eine dauerhafte Verformung zurück – beispielsweise ein verbogener oder verlängerter Stahlbauteil.
Was versteht man unter der Streckgrenze?
Die Streckgrenze bezeichnet die Spannung, bei der ein Werkstoff von der elastischen in die plastische Verformung übergeht. Solange die einwirkende Spannung unterhalb dieses Bereichs bleibt, nimmt der Werkstoff nach der Entlastung normalerweise wieder seine ursprüngliche Form an. Wird die Streckgrenze überschritten, bleibt ein Teil der Verformung dauerhaft bestehen.
- Die Spannung wird in Megapascal (MPa) angegeben. Dabei entspricht 1 MPa genau 1 N/mm². Eine Streckgrenze von 235 MPa bedeutet somit eine Spannung von 235 Newton pro Quadratmillimeter Querschnitt.
Aus einer Streckgrenze von beispielsweise 235 MPa lässt sich jedoch nicht einfach ableiten, dass jedes Bauteil aus diesem Stahl genau diese Belastung „tragen kann“. Die tatsächliche Tragfähigkeit hängt unter anderem vom Querschnitt, den Abmessungen und der Länge des Profils, der Lagerung, der Belastungsrichtung, den Verbindungen sowie der Gefahr des Knickens ab.
Was passiert mit Stahl unter Belastung?
Stellen Sie sich einen Stahlstab vor, der schrittweise auseinandergezogen wird. Zu Beginn verlängert er sich nur geringfügig. Wird die Kraft anschließend entfernt, kehrt der Stab nahezu vollständig in seine ursprüngliche Länge zurück. In diesem Bereich verhält sich der Werkstoff elastisch.
Mit zunehmender Belastung wird schließlich die Streckgrenze erreicht. Ab diesem Punkt reicht eine einfache Entlastung nicht mehr aus, um die ursprüngliche Form vollständig wiederherzustellen. Im Material ist eine plastische Verformung entstanden und der Stab bleibt beispielsweise dauerhaft länger. Bei weiterer Belastung kann der Stahl zunächst noch zusätzliche Kräfte aufnehmen, bevor schließlich die Zugfestigkeit erreicht und der Werkstoff versagt.
Der entscheidende Unterschied lässt sich daher einfach zusammenfassen: Die Streckgrenze beschreibt nicht den Zeitpunkt, an dem Stahl bricht. Sie gibt an, wann eine bleibende plastische Verformung beginnt.
Streckgrenze und Zugfestigkeit – nicht dasselbe
In technischen Datenblättern stehen diese beiden Kennwerte häufig nebeneinander. Sie beschreiben jedoch unterschiedliche Eigenschaften des Werkstoffs.
- Die Streckgrenze kennzeichnet den Beginn einer bleibenden Verformung.
- Die Zugfestigkeit Rm gibt die höchste Zugspannung an, die der Werkstoff während eines Zugversuchs erreicht.
Für die Praxis im Stahlbau ist die Streckgrenze besonders wichtig, weil ein Träger, Rahmen oder Geländer im normalen Betrieb nicht dauerhaft verbogen oder verformt sein sollte – selbst dann nicht, wenn bis zum eigentlichen Bruch noch eine erhebliche Reserve vorhanden wäre.
Anders gesagt: Eine Konstruktion kann noch weit von einem Bruch entfernt sein und trotzdem ihre Funktion nicht mehr zuverlässig erfüllen, wenn sie sich bereits dauerhaft verformt hat.
Wie wird die Streckgrenze bestimmt?
Die wichtigste Grundlage ist der Zugversuch. Dabei wird ein Prüfkörper mit bekanntem Querschnitt in einer Prüfmaschine eingespannt und schrittweise belastet. Während des Versuchs werden die aufgebrachte Kraft und die Verlängerung des Prüfkörpers erfasst. Daraus entsteht ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm, anhand dessen sich der elastische Bereich, die plastische Verformung und das weitere Verhalten des Werkstoffs beurteilen lassen.
Bei bestimmten Stählen ist ein ausgeprägter Streckpunkt erkennbar. Dann wird zwischen der oberen Streckgrenze ReH und der unteren Streckgrenze ReL unterschieden. Bei Werkstoffen ohne deutlich ausgeprägten Streckpunkt wird dagegen häufig eine sogenannte 0,2-%-Dehngrenze Rp0,2 verwendet. Sie bezeichnet die Spannung, bei der nach der Entlastung eine definierte bleibende Dehnung von 0,2 % verbleibt.
Was bedeutet die Streckgrenze bei S235 und S355?
Bei gängigen Baustählen findet sich die Streckgrenze bereits im Namen der Stahlgüte. Der Buchstabe S steht für Baustahl. Die nachfolgende Zahl steht in Zusammenhang mit der Mindeststreckgrenze in MPa unter den in der jeweiligen Norm festgelegten Bedingungen.
Bei S235 beträgt die Mindeststreckgrenze bei geringeren Materialdicken beispielsweise 235 MPa, während sie bei S355 bei 355 MPa liegt. Eine höhere Kennzahl bedeutet somit grundsätzlich, dass der Werkstoff vor dem Beginn einer plastischen Verformung höhere Spannungen aufnehmen kann.
Dabei müssen jedoch immer die konkrete Norm und die Materialdicke berücksichtigt werden. Mit zunehmender Dicke kann die normativ geforderte Mindeststreckgrenze abnehmen. Die Bezeichnung S355 bedeutet daher nicht, dass jedes Produkt dieser Stahlgüte unabhängig von seiner Dicke immer exakt eine Streckgrenze von 355 MPa aufweist.
Dieser Punkt wird beim Vergleich verschiedener Stahlprodukte leicht übersehen. Die Stahlgüte liefert eine wichtige erste Information, für eine genaue Konstruktion müssen jedoch die Kennwerte des konkreten Produkts und die dafür geltende Norm herangezogen werden.
Eine höhere Streckgrenze macht einen Stahl nicht automatisch zur besseren Wahl
Die Annahme, dass ein Stahl mit höherer Streckgrenze grundsätzlich besser ist, greift zu kurz. Entscheidend ist immer der konkrete Einsatz. Eine höhere Festigkeit kann beispielsweise schlankere Konstruktionen oder eine geringere Materialmenge ermöglichen. Bei der Auslegung spielen aber ebenso Steifigkeit, Zähigkeit, Schweißbarkeit, Ermüdungsverhalten, Stabilität und natürlich die Kosten eine Rolle.
Ein gutes Beispiel ist die Durchbiegung eines Trägers. Sie wird nicht allein durch die Streckgrenze bestimmt. Einfluss haben unter anderem der Elastizitätsmodul, die Länge des Trägers, sein Querschnitt und die Art der Belastung. Zwei Profile mit identischen Abmessungen können sich deshalb unter einer normalen Belastung ähnlich stark durchbiegen, obwohl die verwendeten Stähle unterschiedliche Streckgrenzen besitzen.
Eine höhere Streckgrenze bedeutet daher vor allem einen größeren Widerstand gegen bleibende plastische Verformung – nicht automatisch eine mehrfach höhere Steifigkeit der Konstruktion.
Wann ist die Streckgrenze in der Praxis relevant?
Bei einem einfachen Regal oder einem dekorativen Bauteil ist in vielen Fällen keine aufwendige statische Berechnung erforderlich. Bei tragenden Rahmen, Überdachungen, Treppen, Geländern, Trägern, Toren oder anderen belasteten Stahlkonstruktionen spielen die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Stahls jedoch eine wesentlich größere Rolle.
Es reicht deshalb nicht aus, lediglich die Abmessungen zweier Rechteckrohre oder Träger miteinander zu vergleichen. Auch die Stahlgüte und die Art der späteren Belastung müssen berücksichtigt werden. Das gleiche Profil kann beispielsweise als kurzer Querträger geeignet sein, während es als mehrere Meter langer Träger unter den gleichen Bedingungen nicht ausreicht.
Bei schlanken Bauteilen kann außerdem Knicken oder ein Stabilitätsverlust die Tragfähigkeit begrenzen, bevor der Werkstoff überhaupt seine Streckgrenze erreicht. Die Tragfähigkeit einer Konstruktion lässt sich daher nicht anhand eines einzigen Kennwerts aus dem Materialdatenblatt bestimmen.
Streckgrenze beim Stahlkauf richtig einordnen
Beim Kauf von Stahlprodukten sollten neben den Abmessungen auch die Stahlgüte und die jeweilige Produktnorm berücksichtigt werden. Bei anspruchsvolleren Anwendungen kann außerdem ein Werkszeugnis bzw. Materialzeugnis erforderlich sein. Für viele typische Arbeiten im Stahl- und Metallbau wird der Baustahl S235 eingesetzt. S355 bietet eine höhere Streckgrenze und kann bei entsprechender Konstruktion höhere Belastungen ermöglichen oder eine effizientere Materialausnutzung erlauben.
Deshalb lohnt es sich beim Vergleich von Stahlprodukten, nicht ausschließlich auf den Preis pro Meter oder die Profilgröße zu achten. Entscheidend ist auch, aus welcher Stahlgüte das jeweilige Bauteil gefertigt wurde.
Die Streckgrenze allein ersetzt jedoch niemals eine fachgerechte statische Auslegung. Bei Bauteilen, deren Versagen Personen oder Sachwerte gefährden könnte, sollte die Tragfähigkeit von einem qualifizierten Planer oder Statiker beurteilt werden.
Streckgrenze – ein Kennwert, den man kennen sollte
Die Streckgrenze gehört zu den wichtigsten mechanischen Kennwerten von Stahl. Vereinfacht gesagt beschreibt sie den Punkt, an dem aus einer vorübergehenden Durchbiegung, Stauchung oder Verlängerung eine bleibende Veränderung wird.
Bei der Auswahl eines Stahlprodukts liefert die Streckgrenze daher wesentlich mehr Informationen als die allgemeine Aussage, ein bestimmter Stahl sei besonders „fest“. Sinnvoll ist es, die Streckgrenze immer gemeinsam mit der Stahlgüte, dem Profilquerschnitt, der Länge des Bauteils und der Art der Belastung zu betrachten. Erst aus dieser Kombination lässt sich beurteilen, ob ein bestimmtes Material für die geplante Konstruktion geeignet ist.
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